魏海嘯，于群

（山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266590）

自晶閘管被用作開關(guān)元件以來，其觸發(fā)電路經(jīng)過了晶閘管分離元件階段和集成電路階段后進(jìn)入了單片機(jī)嵌入階段。使用以單片機(jī)為核心的觸發(fā)電路雖然避免了前兩個階段元件多、故障率高和低智能化的缺點，但可靠性、迅速性和抗干擾性還存在諸多不足。

本設(shè)計詳細(xì)介紹了一種基于AT89C2051單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)電路，具有高集成度、智能化、體積小、安全、迅速、可靠穩(wěn)定等優(yōu)點，今后必將被廣泛應(yīng)用。文中以晶閘管投切電容器為例來詳細(xì)說明觸發(fā)電路的工作原理。

1 觸發(fā)電路的硬件設(shè)計

硬件電路以ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)為核心，包括晶閘管過零檢測電路、控制器投切命令電路、脈沖隔離放大電路等幾部分組成，硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

1.1 AT89C2051簡介

AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含2 k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器（RAM），兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，內(nèi)置一個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，這使得其開發(fā)調(diào)試都十分方便[3]。

功能強(qiáng)大的AT89C2051單片機(jī)提供了高度靈活和低成本的解決辦法，完全可以滿足對晶閘管觸發(fā)電路快速、準(zhǔn)確的要求。AT89C2051硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AT89C2051硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of AT89C2051

1）端口P1 P1口是一個8位雙向I/O口。引腳P1.2至P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1則需外加上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入（ANI0）和反相輸入（AIN1）。

2）端口P3 P3口的P3.0至P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的7個雙向I/O口。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。

1.2 輔助電路的設(shè)計

1.2.1 晶閘管過零檢測電路

晶閘管投入電容器的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同的時刻[4]。因為根據(jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時，將產(chǎn)生沖擊電流，會損壞晶閘管且給所在電力系統(tǒng)帶來高頻振蕩等不利影響。所以設(shè)計了晶閘管過零檢測電路來解決殘壓測量的難題。晶閘管過零檢測電路如圖3所示。

圖3 晶閘管過零檢測電路Fig.3 Zero-crossing detection electric circuit of SCR

當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓相等時，晶閘管上電壓為零，光電耦合器就會輸出下降沿負(fù)脈沖至單片機(jī)INT0、INT1管腳，如果此時控制器投入指令存在，此脈沖就會經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脈沖串去觸發(fā)晶閘管，保證晶閘管的導(dǎo)通，平穩(wěn)投入電容器；當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓不相等時，晶閘管上電壓不為零，光耦導(dǎo)通，接到單片機(jī)的INT0、INT1呈高電平，在軟件中設(shè)置此種情況不產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，晶閘管呈關(guān)斷狀態(tài)。

1.2.2 控制器投切命令電路

控制器投切命令電路如圖4所示。

圖4 控制器投切命令電路Fig.4 Controller commands the switching circuit

控制器是工作人員用來向觸發(fā)電路下達(dá)電容器投切命令的電路。當(dāng)工作中需要電容器投入時，控制器在J3處給晶閘管觸發(fā)電路+4 V信號，光耦U3導(dǎo)通，使單片機(jī)P1.0（控制器投切ORDER命令管腳）呈高電平，通過邏輯判斷電路使得觸發(fā)脈沖得以驅(qū)動脈沖變壓器，使晶閘管導(dǎo)通，電容器投入；同理，當(dāng)需要切除電容器時，取消控制器+4 V信號，光耦關(guān)斷，ORDER管腳呈低電平，通過邏輯判斷電路屏蔽了管腳的觸發(fā)脈沖，此時無論觸發(fā)脈沖管腳輸出的何種脈沖，都不能驅(qū)動脈沖變壓器，管腳晶閘管在電流過零時自然關(guān)斷。這種設(shè)計的優(yōu)點就是可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，避免了因外部干擾或程序問題而使得晶閘管誤導(dǎo)通[5]。

1.2.3 晶閘管觸發(fā)主電路

晶閘管觸發(fā)主電路如圖5所示。電路以AT89C2051單片機(jī)為核心，采用8 M晶振定時器工作方式。P1口用作觸發(fā)晶閘管的脈沖輸出，P3口用作晶閘管過零信號檢測。其管腳具體連接見圖5。

其工作過程是：當(dāng)單片機(jī)通過投切命令電路接到電容器投入指令時，P1.0 ORDER管腳會呈高電平。此時檢測電路檢測晶閘管是否過零，當(dāng)檢測到晶閘管過零時，單片機(jī)INT0、INT1管腳會觸發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)入脈沖中斷程序，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，在單片機(jī)P1口輸出去驅(qū)動脈沖[6]。

圖5 晶閘管觸發(fā)主電路Fig.5 Trigger circuit of thyristor

單片機(jī)輸出的觸發(fā)脈沖信號為高頻調(diào)制脈沖，所以脈沖變壓器采用高頻變壓器，體積小，不發(fā)熱，易安裝，二極管均采用快速二極管[1]。工作原理是：當(dāng)單片機(jī)高頻脈沖輸出時，三極管立即進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，由于電容C9的瞬間短路作用，使得脈沖變壓器的原邊得到信號為+24 V的尖峰脈沖，它可以用作晶閘管的強(qiáng)觸發(fā)脈沖，在C9的兩端并上電阻R30減小了高頻信號的阻抗，相當(dāng)于微分，這樣提高了信號的上升速率，加快了導(dǎo)通速度，提高觸發(fā)的可靠性。而后單片機(jī)輸出的高頻脈沖使得變壓器副邊得到持續(xù)的幅值較低的高頻調(diào)制脈沖，繼續(xù)供給晶閘管觸發(fā)脈沖，以提高電流斷續(xù)時晶閘管工作的穩(wěn)定性，同時也降低了觸發(fā)電路的功耗[2]。

2 觸發(fā)電路的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用中斷服務(wù)程序的方法。脈沖寬度和間隔采用軟件延時方法來定時。程序設(shè)計簡單，短小精悍，思路清晰。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Flow chart of program

3 性能測試

為檢驗觸發(fā)電路的性能，設(shè)計了檢測電路。檢測電路原理圖如圖7所示。

圖7 檢測電路原理圖Fig.7 Detection circuit schematic diagram

實驗電路由觸發(fā)電路、一組反并聯(lián)晶閘管、一組串聯(lián)電容、DC 24 V和DC 5 V開關(guān)電源各一個連接而成。實建電路如圖8所示。其中DC 24 V電源提供觸發(fā)板工作電壓，DC 5 V電源模擬控制器投切信號。為觀察方便，筆者在一個電容器上并聯(lián)了指示燈，具體如圖8所示。

圖8 性能檢測電路Fig.8 Performance testing circuit

正確連接電路，檢查無誤后打開24 V直流電源，觸發(fā)電路中L1指示燈被點亮，單片機(jī)正常工作；打開AC220 V電源，使晶閘管兩極帶電；打開5 V電源，使觸發(fā)板開始工作，此時L2、L3、L4指示燈全部被點亮，并聯(lián)電容上的指示燈也被點亮，證明觸發(fā)電路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

用示波器觀察脈沖變壓器觸發(fā)信號如圖9所示。

圖9 圖9脈沖變壓器觸發(fā)信號Fig.9 Trigger pulse transformer

經(jīng)觀察觸發(fā)脈沖前沿陡度達(dá)1～2 A/μs，觸發(fā)電流為晶閘管最大觸發(fā)電流的2倍，脈沖幅度足夠，電路設(shè)計十分成功。

4 結(jié) 論

基于AT89C2051單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)電路成功的實現(xiàn)了對晶閘管迅速、可靠的觸發(fā)，已成功的應(yīng)用于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償、濾波裝置中，其智能、安全、可靠的優(yōu)點通過了工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的檢驗，具有很好的應(yīng)用前景。

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